[发明专利]基于DNA链置换的4-10译码器设计方法

说明书

基于链置换的4‑10译码器设计方法涉及DNA链置换领域，该方法首先根据DNA 4‑10译码器的输入逻辑值设置DNA信号链的浓度，并通过扇出门模块将每个DNA信号分成10个具有相同逻辑值的不同DNA信号链，然后根据输出的80个DNA信号链自身所附带的域的不同根据沃森‑克里克(C‑G,T‑A)互补配对原理和与门模块、或门模块进行杂交反应，最终输出20个DNA信号链，20个DNA信号链根据浓度的大小代表不同的逻辑值，进而实现4‑10译码器的功能。本发明的有益效果是：首次基于双轨将与门模块、或门模块、扇出门模块组合在一起，实现了DNA 4‑10译码器；通过调整扇出门模块、与门模块和或门模块中阈门的浓度系数使输出结果更加稳定。

技术领域

本发明涉及DNA链置换领域，具体涉及利用双轨逻辑以及Winfree设计的与门模块和或门模块设计稳定的DNA链置换4-10译码器的方法。

背景技术

在最近几十年里，DNA纳米技术在生物工程中的地位变得越来越重要，而DNA链置换作为DNA纳米技术的分支之一，也越来越广泛地被应用于设计各种复杂的生物设备以及实现复杂的DNA计算，这些很大程度要归因于DNA链置换机制的自主性:一旦信号链和门混合在一起，相互作用就会在没有外界干扰的情况下执行，直到信号链或者门被消耗掉；支撑反应的动力来自于门的结构以及沃森-克里克(C-G,T-A)互补性，不需要酶、转录或翻译成份。整个反应过程可以在basic wet labs中发生，反应的设备可以化学合成。

Lee CS第一次做实验在体外观察到了DNA链迁移和DNA链置换过程，开启了动态DNA纳米技术领域的研究，同时为解决DNA计算问题提供了新的途径。Georg Seeling基于DNA链置换过程设计了与门、或门、非门、信号恢复器、信号放大器以及回馈和级联。但是由于非门容易产生错误信号的问题，无法设计稳定的大规模电路。2011年，Winfree利用双轨(dual-rail logic)解决了非门容易产生错误信号的问题(参见文献Lulu Qian,ErikWinfree.Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand DisplacementCascades.Science.2011,332(6034),1196-1201)。他设计了具有信号恢复功能的与门模块、或门模块和扇出门模块，其中扇出门模块可以将同一个DNA信号链分成若干个代表相同逻辑值的DNA信号链，从而避免由于同一个DNA信号链同时与不同的模块进行反应而导致的相互影响。进一步，他将设计的与门、或门模块、扇出门模块以及双轨(dual-rail logic)结合起来设计了一个四字节的平方根电路。Qian and Winfree同样基于双轨(dual-raillogic)将与门模块、或门模块、扇出门模块组合起来设计了四个完全相互连接的能实现Hopfield联想记忆的人工神经元。

尽管Winfree设计的与门模块、或门模块和扇出门模块具有很好的封装性，并且它们与DNA信号链反应输出的DNA信号链的浓度稳定而且没有减小。这三个模块与双轨结合起来理论上可以设计任意规模类型的DNA逻辑电路，但是由于DNA链置换反应具有可逆性而且影响反应的因素复杂，所以DNA逻辑电路的设计在理论与实验上还有一定的差距，这导致还有大量的复杂DNA逻辑电路没有被设计出来。

发明内容

本发明的目的是利用双轨逻辑、与门模块和或门模块设计DNA链置换4-10译码器，通过调整扇出门、与门模块和或门模块中阈门的浓度系数实现稳定的DNA链置换4-10译码器。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：